光时域反射仪的制作方法

本发明涉及光纤检测技术领域，尤其涉及一种光纤检测方法及光时域反射仪。

背景技术：

光时域反射仪(opticaltimedomainreflectometer，otdr)是光缆线路工程施工以及维护过程中经常用到的光纤测试设备，可以测量光纤的链路损耗、光纤的长度以及光纤链路的故障。光时域反射技术的原理是向光纤中发射一个光脉冲，光脉冲在传输过程中会激励起电偶极子的震荡，由于光纤的掺杂、几何的不完美性等，电偶极子的场分布叠加到一起会形成光纤中的瑞利散射，同时会在光纤的端面和故障点形成菲涅尔反射。由于瑞利散射功率和入射光脉冲的光功率成正比，所以可以通过背向瑞利散射去分析光纤链路中的传输损耗和利用菲涅尔反射去定位光纤的故障位置以及利用光纤前后两个端面形成的反射峰的间隔时间得到光纤的长度。

由于背向瑞利散射信号十分微弱，一般会使用外差探测来提高信噪比，这样放大信噪比也会增加额外噪声的引入。另外光时域反射仪中使用声光调制器将连续光调制成脉冲光时，会有一定频率带宽的移频，从而增大对采样速率和数据吞吐量的要求。常见的光时域反射仪中会使用ghz级信号采集模块进行采样，通过信号发生器驱动声光调制器并进行同步数据采集，但是这种方式不能够实时调制触发脉冲的宽度和重复频率，也增大了系统的实现难度，同时ghz采集模块成本要求比较高，而且在实现采集信号的实时串流以及实现解调与模式识别过程中增加相应的困难度。

因此亟需一种新的光时域反射仪

技术实现要素：

本发明实施例提供一种光时域反射仪，旨在提高光纤测量结果的准确性。

一方面，本发明实施例提供了一种光时域反射仪，光时域反射仪包括：激光器，用于发射探测光源；调制器，调制器的输入端连接于激光器的输出端，用于将探测光源转化为第一脉冲信号和第二脉冲信号，调制器的第一输出端连接于待测光纤，用于向待测光纤发送第一脉冲信号，使得待测光纤产生反射信号；耦合器，耦合器的第一输入端连接于调制器的第二输出端，耦合器的第二输入端连接于待测光纤，用于将第二脉冲信号和待测光纤的反射信号耦合为光信号；光电转换模块，光电转换模块的输入端连接于耦合器的输出端，用于将光信号转化为电信号；可编程模块，可编程模块的输入端连接于光电转换模块的输出端，可编程模块的输出端连接于激光器的输入端，用于根据电信号调整激光器发射的探测光源。

根据本发明一方面的实施方式，可编程模块的输出端还连接有数字信号处理器，以向数字信号处理器发送电信号。

根据本发明一方面前述任一实施方式，可编程模块包括：

频率合成器，包括用于输出第一正弦信号的第一输出端和用于输出第二正弦信号的第二输出端，第一正弦信号和第二正弦信号之间存在相位差；

第一信号合成器，第一信号合成器的输入端连接于频率合成器的第一输出端和可编程模块的输入端，用于将第一正弦信号和电信号进行混频处理形成第一混频信号；

第二信号合成器，第二信号合成器的输入端连接于频率合成器的第二输出端和可编程模块的输入端，用于将第二正弦信号和电信号进行混频处理形成第二混频信号；

数据采集模块，数据采集模块的输入端连接于第一信号合成器和第二信号合成器的输出端，用于将第一混频信号和第二混频信号相减，形成处理信号；

控制芯片，控制芯片的输入端连接于数据采集模块的输出端，用于根据处理信号调整激光器发射的探测光源。

根据本发明一方面前述任一实施方式，控制芯片的输出端连接于频率合成器的输入端，控制芯片还用于根据处理信号调整频率合成器输出的第一正弦信号和第二正弦信号。

根据本发明一方面前述任一实施方式，数据采集模块还用于根据第一混频信号和第二混频信号进行比较得到第一正弦信号和第二正弦信号之间的比较信息，处理信号还包括比较信息；

控制芯片还用于根据比较结果信息调整频率合成器输出的第一正弦信号和第二正弦信号。

根据本发明一方面前述任一实施方式，第一正弦信号和第二正弦信号的相位差为180度。

根据本发明一方面前述任一实施方式，可编程模块还包括第一放大器；

可编程模块的输入端连接第一放大器，第一放大器用于放大电信号；

第一信号合成器的输入端连接于频率合成器的第一输出端和第一放大器的输出端，用于将第一正弦信号和放大后的电信号进行混频处理形成第一混频信号；

第二信号合成器的输入端连接于频率合成器的第二输出端和第一放大器的输出端，用于将第二正弦信号和放大后的电信号进行混频处理形成第二混频信号。

根据本发明一方面前述任一实施方式，可编程模块还包括第二放大器和第三放大器；

频率合成器的第一输出端连接第二放大器，第二放大器用于放大第一正弦信号，第一信号合成器的输入端连接于第二放大器的输出端和可编程模块的输入端，用于将放大后的第一正弦信号和电信号进行混频处理形成第一混频信号；

和/或，频率合成器的第二输出端连接第三放大器，第三放大器用于放大第二正弦信号，第二信号合成器的输入端连接于第三放大器的输出端和可编程模块的输入端，用于将放大后的第二正弦信号和电信号进行混频处理形成第一混频信号。

根据本发明一方面前述任一实施方式，可编程模块还包括：

第一滤波器，第一滤波器的输入端连接于第一信号合成器，第一滤波器的输出端连接于数据采集模块，第一滤波器用于对第一混频信号进行滤波处理，并向数据采集模块发送滤波后的第一混频信号；

第二滤波器，第二滤波器的输入端连接于第二信号合成器，第二滤波器的输出端连接于数据采集模块，第二滤波器用于对第二混频信号进行滤波处理，并向数据采集模块发送滤波后的第二混频信号。

根据本发明一方面前述任一实施方式，第一滤波器低通滤波器；和/或，第二滤波器为低通滤波器。

根据本发明一方面前述任一实施方式，光时域反射仪还包括：

光纤放大器，光纤放大器的输入端连接于调制器的第一输出端，用于放大第一脉冲信号，光纤放大器的输出端连接于待测光纤，用于向待测光纤发送放大后的第一脉冲信号。

根据本发明一方面前述任一实施方式，光时域反射仪还包括：环形器，环形器的输入端连接于调制器的第一输出端，环形器的第一输出端连接于待测光纤，调制器用于通过环形器向待测光纤发送第一脉冲信号；耦合器的输入端连接于环形器的第二输出端，耦合器用于通过环形器接收反射信号。

根据本发明一方面前述任一实施方式，激光器发出的探测光源的波长的变化范围为1480nm～1630nm和1610nm～1630nm。

在本发明实施例的光时域反射仪中，光时域反射仪包括激光器、调制器、耦合器、光电转换模块和可编程模块。激光器用于发射探测光源，调制器用于将探测光源转化为第一脉冲信号和第二脉冲信号，其中第一脉冲信号用于检测光纤的链路损耗、长度或光纤故障，使得光纤产生反射信号。耦合器用于将第二脉冲信号和反射信号耦合为光信号，反射信号和第二脉冲信号相互耦合，能够降低测量结果的误差。光电转换模块将光信号转换为电信号，使得可编程模块可以接受电信号。可编程模块根据电信号调整激光器发射的探测光源，形成反馈，能够进一步提高检测结果的准确性。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1是本发明实施例提供的一种光时域反射仪的电路图；

图2是本发明另一实施例提供的一种光时域反射仪的电路图；

图3是本发明另一实施例提供的一种光时域反射仪中可编程模块的电路图。

附图标记说明：

100、激光器；

200、调制器；

300、耦合器；

400、光电转换模块；

500、可编程模块；510、频率合成器；521、第一信号合成器；522、第二信号合成器；530、数据采集模块；540、控制芯片；551、第一放大器；552、第二放大器；553、第三放大器；571、第一滤波器；572、第二滤波器；581、第一输出接口；582、第二输出接口；583、输入接口；

600、数字信号处理器；

700、光纤放大器；

800、环形器；

900、待测光纤。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的实施例的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了更好地理解本发明，下面结合图1至图3对本发明实施例的光时域反射仪进行详细描述。

图1为本发明实施例提供的一种光时域反射仪，光时域反射仪包括：激光器100，用于发射探测光源；调制器200，调制器200的输入端连接于激光器100的输出端，用于将探测光源转化为第一脉冲信号和第二脉冲信号，调制器200的第一输出端连接于待测光纤900，用于向待测光纤900发送第一脉冲信号，使得待测光纤900产生反射信号；耦合器300，耦合器300的第一输入端连接于调制器200的第二输出端，耦合器300的第二输入端连接于待测光纤900，用于将第二脉冲信号和待测光纤900的反射信号耦合为光信号；光电转换模块400，光电转换模块400的输入端连接于耦合器300的输出端，用于将光信号转化为电信号；可编程模块500，可编程模块500的输入端连接于光电转换模块400的输出端，可编程模块500的输出端连接于激光器100的输入端，用于根据电信号调整激光器100发射的探测光源。

其中，反射信号例如为背向瑞利散射信号。耦合器300例如为光耦合器300。激光器100例如为窄线宽激光器100。调制器200例如为声光调制器200。

在本发明实施例的光时域反射仪中，光时域反射仪包括激光器100、调制器200、耦合器300、光电转换模块400和可编程模块500。激光器100用于发射探测光源，调制器200用于将探测光源转化为第一脉冲信号和第二脉冲信号，其中第一脉冲信号用于检测光纤的链路损耗、长度或光纤故障，使得光纤产生反射信号。耦合器300用于将第二脉冲信号和反射信号耦合为光信号，反射信号和第二脉冲信号相互耦合，能够降低测量结果的误差。光电转换模块400将光信号转换为电信号，使得可编程模块500可以接受电信号。可编程模块500根据电信号调整激光器100发射的探测光源，形成反馈，能够进一步提高检测结果的准确性。

请一并参阅图2和图3，在一些可选的实施例中，可编程模块500的输出端还连接有数字信号处理器600，以向数字信号处理器600发送电信号。采用数字信号处理器600和可编程模块500进行数据信息的采集和处理，减小了光时域反射仪的设计成本，同时也能够优化光时域反射仪的体积。

可编程模块500的设置方式有多种，在一些可选的实施例中，可编程模块500包括：频率合成器510，包括用于输出第一正弦信号的第一输出端和用于输出第二正弦信号的第二输出端，第一正弦信号和第二正弦信号之间存在相位差；第一信号合成器521，第一信号合成器521的输入端连接于频率合成器510的第一输出端和可编程模块500的输入端，用于将第一正弦信号和电信号进行混频处理形成第一混频信号；第二信号合成器522，第二信号合成器522的输入端连接于频率合成器510的第二输出端和可编程模块500的输入端，用于将第二正弦信号和电信号进行混频处理形成第二混频信号；数据采集模块530，数据采集模块530的输入端连接于第一信号合成器521和第二信号合成器522的输出端，用于将第一混频信号和第二混频信号相减，形成处理信号；控制芯片540，控制芯片540的输入端连接于数据采集模块530的输出端，用于根据处理信号调整激光器100发射的探测光源。频率合成器510例如为数字频率合成器510。

在这些可选的实施例中，可编程模块500包括频率合成器510，频率合成器510生成具有相位差的第一正弦信号和第二正弦信号；第一正弦信号和第二正弦信号分别和电信号进行混频形成第一混频信号和第二混频信号；数据采集模块530将第一混频信号和第二混频信号相减，可以达到抑制噪声的效果。控制芯片540获取到得处理信号调整激光器100发射的探测光源，达到更为有效，更为方便的获取反射信号的目的，进而能够提高检测结果的准确性。

进一步可选的，控制芯片540的输出端连接于频率合成器510的输入端，控制芯片540还用于根据处理信号调整频率合成器510输出的第一正弦信号和第二正弦信号。

数据采集模块530还用于根据第一混频信号和第二混频信号进行比较得到第一正弦信号和第二正弦信号之间的比较信息，处理信号还包括比较信息；控制芯片510还用于根据比较结果信息调整频率合成器510输出的第一正弦信号和第二正弦信号。

优选的，第一正弦信号和第二正弦信号的相位差为180度。频率合成器510和第一信号合成器521之间的混频电路与频率合成器510和第二信号之间的混频电路对称分布。

在一些可选的实施例中，可编程模块500还包括第一放大器551；可编程模块500的输入端连接第一放大器551，第一放大器551用于放大电信号；第一信号合成器521的输入端连接于频率合成器510的第一输出端和第一放大器551的输出端，用于将第一正弦信号和放大后的电信号进行混频处理形成第一混频信号；第二信号合成器522的输入端连接于频率合成器510的第二输出端和第一放大器551的输出端，用于将第二正弦信号和放大后的电信号进行混频处理形成第二混频信号。

在这些可选的实施例中，通过设置第一放大器551，能够放大电信号，从而进一步减小误差。

在又一些可选的实施例中，可编程模块500还包括第二放大器552和第三放大器553；频率合成器510的第一输出端连接第二放大器552，第二放大器552用于放大第一正弦信号，第一信号合成器521的输入端连接于第二放大器552的输出端和可编程模块500的输入端，用于将放大后的第一正弦信号和电信号进行混频处理形成第一混频信号；和/或，频率合成器510的第二输出端连接第三放大器553，第三放大器553用于放大第二正弦信号，第二信号合成器522的输入端连接于第三放大器553的输出端和可编程模块500的输入端，用于将放大后的第二正弦信号和电信号进行混频处理形成第一混频信号。

在这些可选的实施例中，通过设置第二放大器552和第三放大器553，能够放大第一正弦信号和第二正弦信号，进一步减小误差。

在一些可选的实施例中，可编程模块500还包括：第一滤波器571，第一滤波器571的输入端连接于第一信号合成器521，第一滤波器571的输出端连接于数据采集模块530，第一滤波器571用于对第一混频信号进行滤波处理，并向数据采集模块530发送滤波后的第一混频信号。第一滤波器571例如为低通滤波器，可有效除掉第一混频信号中的高频信号影响。

在一些可选的实施例中，可编程模块500还包括：第二滤波器572，第二滤波器572的输入端连接于第二信号合成器522，第二滤波器572的输出端连接于数据采集模块530，第二滤波器572用于对第二混频信号进行滤波处理，并向数据采集模块530发送滤波后的第二混频信号。第二滤波器572例如为低通滤波器，可有效除掉第二混频信号中的高频信号影响。

在一些可选的实施例中，光时域反射仪还包括：光纤放大器700，光纤放大器700的输入端连接于调制器200的第一输出端，用于放大第一脉冲信号，光纤放大器700的输出端连接于待测光纤900，用于向待测光纤900发送放大后的第一脉冲信号。放大第一脉冲信号，能够获取更加清晰准确的反射信号。

在一些可选的实施例中，光时域反射仪还包括：环形器800，环形器800的输入端连接于调制器200的第一输出端，环形器800的第一输出端连接于待测光纤900，调制器200用于通过环形器800向待测光纤900发送第一脉冲信号；耦合器300的输入端连接于环形器800的第二输出端，耦合器300用于通过环形器800接收反射信号。通过设置环形器800，能够实现调制器200、待测光纤900和耦合器300三者之间的连接。

激光器100发出的探测光源的波长的变化范围为例如为1480～1630nm和1610～1630nm，探测光源可根据需求选取其中一个或多个波长的光信号最为探测光源波长。

下面结合图2图3，阐述本发明实施例提供的一个具体实施例中光时域反射仪的设置和信号流通过程。

如图2所示，光时域反射仪包括可编程模块500、激光器100、调制器200、光纤放大器700、环形器800、光耦合器300、光电转换模块400和数字信号处理器600。

如图3所示，可编程模块500包含第一信号合成器521、第二信号合成器522、第一放大器551、第二放大器552、第三放大器553、数据采集模块530、控制芯片540、频率合成器510、可编程模块500输出至激光器100的第一输出接口581、可编程模块500输出至数字信号处理器600的第二输出接口582，光电转换模块400输出至可编程模块500的第一输入接口583。

其中，采用可编程模块500，具有较高的可操作性，通过可编程模块500控制探测光源的输出频率，进而控制反射信号，能够提高系统的可靠性和稳定性。采用数字信号处理器600、可编程模块500进行数据信息采集和处理，相对于通用的高速信号采集卡和信号发生器，减小了系统的设计成本，设备体积也将极大的得到优化。发明设计中数字信号处理器600技术的应用，相对传统数字信号进行模式识别的方法，误码率更低，采集数据识别率更高，可以更准确快速获取检测结果，并快速定位故障点位置，具有较强的实用性，适应多变环境的影响，抗干扰能力强。

本发明中，控制芯片540通过第一输出接口581可以输出规律的高低电平信号来控制激光器100发出探测光源。激光器100发出的探测光源的中心波长为1480～1630nm和1610～1630nm。探测光源可根据需求选取其中一个或多个波长的光信号作为探测光源波长，探测光源经过调制器200后，可将连续光信号转变为光脉冲信号。

如图2所示，调制器200需要发出两组脉冲信号，即第一脉冲信号和第二脉冲信号。第一脉冲信号例如为探测光脉冲信号。第二脉冲信号例如为本征光脉冲信号，第二脉冲信号输出至耦合器300，第一脉冲信号输出至光纤放大器700，第一脉冲信号经过光纤放大器700后，输出至环形器800的端口1，第一脉冲信号经过环形器800端口2会进入待测光纤900中。

第一脉冲信号进入待测光纤900中后，根据瑞利散射原理，待测光纤900中会有背向的瑞利散射信号反射进入环形器800的端口2，即会产生发射信号。背向瑞利散射信号经过环形器800端口2至端口3输出后，会进入耦合器300的一个端口中，同时上述调制器200输出的第二脉冲信号会进入耦合器300的另一个端口，耦合器300将两个输入信号进行相干拍频后，处理后的光信号会触发驱动耦合器300内部的发光二极管，发光二极管发出一定波长的光，被耦合器300内部的光探测器接收后产生光电流，再经过耦合器300内部的放大器放大后从输出端口发出。

耦合器300输出的光信号输出至光电转换模块400中，光电转换模块400会将输入的光信号转化为电信号，上述电信号会第一输入接口583输入至可编程模块500。

如图3所示，电信号输入值可编程模块500后，通过信号第一放大器551放大处理。

可编程模块500采用闭环电路的原理，第一信号合成器521和第二信号合成器522的两组合成信号分别来自第一放大器551和频率合成器510。频率合成器510是可编程模块500内部模块，是由控制芯片540来触发产生上变频信号和下变频信号，即第一正弦信号和第二正弦信号。数据采集模块530的输入信号来自第一滤波器571和第二滤波器572，即输入信号包括第一混频信号和第二混频信号，通过计算输入信号相位和输入信号幅度的差值，生成计算结果相位偏差和幅度偏差，并将计算结果发送至控制芯片540，控制芯片540根据收到的计算结果相位偏差和幅度偏差，可控制频率合成器510在上变频信号和下变频信号的输出。

上述数据采集模块530的计算方法规则如下，数据采集模块530将第一滤波器571和第二滤波器572的输出信号进行比较，如果第一滤波器571输出的上变频信号相位比第二滤波器572的下变频信号相位快，会将比较结果发送至控制芯片540，控制芯片540会控制频率合成器510输出上变频信号相位延迟；反之，控制芯片540会控制频率合成器510输出上变频信号相位提前。如果第一滤波器571输出的上变频信号幅度比第二滤波器572输出的下变频信号幅度高，并且超过了允许误差范围，会将比较结果发送至控制芯片540，控制芯片540会控制频率合成器510输出上变频信号幅度变低；反之，控制芯片540会控制频率合成器510输出上变频信号幅度增高。

频率合成器510会输出的相位差为180度的两路正弦信号，即第一正弦信号和第二正弦信号。第一正弦信号例如为上变频信号，第二正弦信号例如为下变频信号。其中上变频信号经过第二放大器552放大处理，与上述经过第一放大器551放大的电信号经过第一信号合成器521混频处理，生成第一混频信号，第一混频信号输出至第一滤波器571。下变频信号经过第三放大器553放大处理，与上述经过第一放大器551放大的电信号经过第二信号合成器522混频处理，混频信号输出至第二滤波器572。上述第一滤波器571和第二滤波器572均为低通滤波器，可有效除掉混频信号中的高频信号影响。

如图3所示，两路混频电路采用对称布局，因此上述两组混频信号分别经过各自的滤波器后，输出至数据采集模块530中，数据采集模块530会对信号进行同步采集，将采集到的信号进行相减，可以达到抑制噪声的效果。数据采集模块530对采集信号处理后，会将处理信号输出至控制芯片540。控制芯片540会通过第二输出接口582将处理信号输出至数字信号处理器600中。数字信号处理器600将处理信号处理之后，就会通过外部输出接口输出至显示屏中进行显示输出。

另外控制芯片540还可以根据采集信号的信息，判断反射信号的频率大小，以此来控制调整控制芯片540通过第一输出接口581输出的高低电平信号。该功能可以及时激光器100的输出的探测光源，达到更为有效，更为方便的获取背向瑞利散射信号的目的。

本发明中提供一种基于可编程模块500的低成本，优化的光时域反射仪的设计电路，采用控制芯片540为核心处理单元，结合数字信号处理技术，可以准确高效的采集待测光纤900中的背向瑞利散射信号。本发明电路中采用对称混频电路来抑制噪声干扰，采用调制器200进行脉冲调制，采用可编程模块500进行同步采样，采用可控制的激光器100作为光源，相对于传统光时域反射仪，本发明极大的减小了设备成本和体积，并且满足实时监测的要求，提高了数据采集信息的准确性和可行性。

虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述，但在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。